KR102255465B1 - 붕소화지르코늄이 포함된 탄화규소 방탄 세라믹 및 이의 제조방법 - Google Patents

붕소화지르코늄이 포함된 탄화규소 방탄 세라믹 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 탄화규소 방탄 세라믹에 관한 것으로, 탄화규소 방탄 세라믹 원료 조성에 붕소화지르코늄을 첨가하여 균질하고 미세한 조직을 가지는 탄화규소 방탄 세라믹을 형성함으로써, 방탄성능이 향상된 탄화규소 방탄 세라믹 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

붕소화지르코늄이 포함된 탄화규소 방탄 세라믹 및 이의 제조방법{SILICON CARBIDE CERAMIC ARMOR CONTAINING ZIRCONIUM DIBORIDE AS AN ADDITIVE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 탄화규소 방탄 세라믹에 관한 것으로, 붕소화지르코늄(Zirconium diboride)을 적용하여 우수한 방탄성능을 가진 탄화규소 방탄 세라믹 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
세라믹소재는 일반적으로 금속보다 가볍고 우수한 방탄성능이 있기 때문에 전차, 장갑차, 헬리콥터, 개인용 방탄 용구 등의 군용 방탄 소재로 활용되어 왔다.
종래의 방탄용 세라믹으로는 산화물계 세라믹으로 알루미나, 알루미나-지르코니아 등 알루미나계 방탄소재가 널리 이용되었으나, 군사 기술의 발전과 더불어 다양한 방탄 소재에 대한요구치가 증가하게 되었고, 이러한 요구치를 충족시키기 위하여 탄화규소(Silicon Carbide, 이하 'SiC'라고도 함), 탄화붕소(Boron Carbide, B4C), 질화규소(Silicon Nitride), 붕소화 티타늄(TiB2) 등과 같은 비산화물계 방탄소재를 중심으로 방탄소재로서의 활용가능성에 대하여 많은 연구들이 진행되어 왔다.
특히 방탄용 세라믹에서 비산화물계 세라믹 소재 중에서 탄화규소(SiC)는 대표적인 비산화물계 세라믹 소재 중의 하나로서, 다른 비산화물계 세라믹 소재보다 상대적으로 원료비가 싸고, 소결이 용이하다. 또한, 이를 산업적으로 활용될 때 분말형태 또는 고온 소결체 형태로 사용되는데, 탄화규소의 고온 소결체는 경도, 강도, 화학적 안정성, 내마모성, 경량성, 열전도성, 전기적 특성 등이 우수하여 방탄 소재로서 주목받고 있다.
전차, 장갑차, 헬리콥터, 개인용 방탄 용구 등의 방탄 소재, 특히 전차 혹은 중량 차량용 장갑재로 이용하기 위해서는 충분한 방탄성능을 구현하기 위해 탄화규소 세라믹은 균질하고 미세한 조직과 고밀도화가 요구된다.
그러나 탄화규소 세라믹은 일반적으로 공유결합성이 큰 재료, 즉 실리콘-탄소(Si-C) 결합의 약 87% 이상이 강한 공유결합을 이루고 있으며, 입계에너지와 표면에너지의 비가 이온결합성 물질이나 금속의 경우보다 크고, 구성원자의 자기확산계수가 작으며, 치밀화에 필요한 체적확산 또는 입내나 입계의 확산속도가 낮고 분말계의 표면에너지 총화로부터 입계 형성에 수반되는 입계에너지의 총화를 뺀 소결 구동력이 작기 때문에 소결에 어려움이 있어 방탄 소재로 사용하기 위한 치밀한 소결체를 얻기 어렵다.
차세대 무기체계에서는 무기의 충돌속도 증가로 이를 방호하기 위해 방탄 소재인 탄화규소 세라믹의 두께 증가가 불가피하며, 두께 증가에도 불구하고 미세하고 균질한 조직을 갖는 밀도가 높은 탄화규소 세라믹 장갑재의 필요성이 요구되고 있다. 그러므로 미세조직이 균질하고 밀도가 높은 탄화규소 방탄 세라믹의 원료 조성, 열간 가압 소결 방법 등의 최적화 기술 확립이 필요하다.
한국등록특허 제10-1174627호
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 본 발명은 붕소화지르코늄(Zirconium diboride, ZrB2)을 첨가한 탄화규소 방탄 세라믹 원료 조성을 최적화함으로써, 열간 가압 소결법의 소결과정에서 결정립의 상변화를 억제함으로써 균질하고 미세한 조직으로 우수한 방탄성능을 가진 탄화규소 방탄 세라믹 및 이의 제조 방법을 제공함에 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 탄화규소 방탄 세라믹은, 탄화규소, 탄화붕소, 탄소 및 붕소화지르코늄을 포함하는 혼합물을 분말화한 혼합물 분말이 열간 가압 소결되어 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 혼합물은 구체적으로 예를 들면, 탄화규소(SiC)는 91.0 중량% 내지 96.1 중량%, 탄화붕소(B4C)는 0.9 중량% 내지 3.0 중량%, 탄소(C)는 2 중량% 내지 3.0 중량% 및 붕소화지르코늄(ZrB2)은 1 중량% 내지 3.0 중량%를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 탄화규소 방탄 세라믹을 이루는 상기 붕소화지르코늄(ZrB2)은 입도가 0.1㎛ 내지 50㎛인 것이 바람직하다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 탄화규소 방탄 세라믹 제조방법은, 탄화규소, 탄화붕소, 탄소 및 붕소화지르코늄을 포함하는 원료 조성물을 혼합하여 혼합물을 제조하는 원료 혼합 단계, 상기 혼합물을 분말화하여 혼합물 분말을 제조하는 분말 제조 단계, 및 상기 혼합물 분말을 열간 가압 소결하여 탄화규소 방탄 세라믹을 제조하는 소결 단계를 포함할 수 있다.
상기 혼합물에서 상기 탄화규소(SiC)는 91.0 중량% 내지 96.1 중량%, 상기 탄화붕소(B4C)는 0.9 중량% 내지 3.0 중량%, 상기 탄소(C)는 2 중량% 내지 3.0 중량%, 및 상기 붕소화지르코늄(ZrB2)은 1 중량% 내지 3.0 중량%를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 혼합물에서 상기 붕소화지르코늄(ZrB2)은 입도가 0.1㎛ 내지 50㎛인 것이 바람직하다.
탄화규소 방탄 세라믹 제조방법에서 상기 소결 단계는, 상기 혼합물 분말을 가열하여 1차 소결체를 제조하는 1차 소결 단계, 및 상기 1차 소결체를 열간 가압 소결하여 탄화규소 방탄 세라믹을 제조하는 2차 소결 단계로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 소결 단계에서 상기 1차 소결 단계는, 상기 혼합물 분말을 몰드에 넣고 진공 혹은 불활성 가스분위기에서 1000℃ 내지 1500℃ 온도로 가열하는 것이 바람직하다.
상기 1차 소결체를 진공 혹은 불활성 가스분위기에서 2000℃ 내지 2210℃의 온도와 100kg/㎠ 내지 450kg/㎠ 압력으로 유지하면서 1 내지 4시간 동안 열간 가압 소결하여 탄화규소 방탄 세라믹이 제조되는 것이 바람직하다.
상기 탄화규소 방탄 세라믹 제조방법을 통해 제조되는 상기 탄화규소 방탄 세라믹의 밀도는 3.18g/㎤ 내지 3.21g/㎤이 되도록 열간 가압 소결하는 것이 바람직하다.
본 발명의 탄화규소 방탄 세라믹은 탄화규소 방탄 세라믹 조성물에 일정량의 붕소화지르코늄(ZrB2)을 첨가함으로써, 붕소화지르코늄(ZrB2)이 소결 과정에서 소결조제로 작용하여 소결 온도를 낮춰 제조 공정의 효율성이 향상되는 효과가 있다.
또한, 탄화규소 방탄 세라믹의 상변화를 억제하여 균질하고 미세하게 결정 입자를 성장시키며, 또한 밀도가 3.180g/㎤ 이상의 고밀도로 붕소화지르코늄(ZrB2)을 첨가하지 않은 탄화규소 방탄 세라믹에 비하여 상대적으로 보다 방탄 성능이 우수한 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 탄화규소 방탄 세라믹 제조방법의 간략한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄화규소 방탄 세라믹 제조방법에서 열간 가압 소결 단계의 압력 및 온도 조건을 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 탄화규소 방탄 세라믹의 X선 회절(x-ray diffraction, XRD) 패턴 분석 결과이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 탄화규소 방탄 세라믹을 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)으로 관찰한 사진이다.
본 명세서에서 사용되는 "구성된다", "포함한다" 또는 "첨가된다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소 및 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소 및 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또한 추가적인 구성 요소 및 단계를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명의 탄화규소 방탄 세라믹은 탄화규소(SiC), 탄화붕소(B4C), 탄소(C) 및 붕소화지르코늄(ZrB2)을 포함하는 물질로, 이들의 화학 조성 성분을 최적화하여 탄화규소 방탄 세라믹의 고온 안정상으로 안정화시키고 미세조직을 균질하게 제어하고, 고밀도화시켜 방탄성능이 개선된다.
구체적으로 전체 탄화규소 방탄 세라믹 원료 조성에 대하여 상기 탄화규소(SiC)는 91.0 중량% 내지 99.0 중량%, 상기 탄화붕소(B4C)는 0.3 중량% 내지 3.0 중량%, 상기 탄소(C)는 0.5 중량% 내지 3.0 중량% 및 상기 붕소화지르코늄(ZrB2)은 0.2 중량% 내지 3.0 중량%를 포함한다.
상기 탄화규소(SiC)는 고순도이면서 표면에 산화층이 쌓여 있지 않은 깨끗하고 입도가 0.2㎛ 초과 5㎛ 이하인 초미립 분말인 것이 바람직하다.
만약 탄화규소의 입도가 5㎛를 초과하면, 요구하는 치밀한 고밀도의 탄화규소 방탄 세라믹을 얻기 어렵기 때문이다.
탄화규소 방탄 세라믹의 화학 조성 성분으로 상기 탄화붕소(B4C)와 탄소(C)는 탄화규소 세라믹의 소결조제로서 첨가된다. 탄화붕소(B4C)는 붕소(B)의 소스로 사용되며 탄화규소 내에 고용되어 탄화규소 자체 확산의 활성화 에너지를 낮추어 격자를 통한 물질 이동을 촉진시키는 역할을 하고, 탄소(C)는 탄화규소 분말 표면에 존재할 수도 있는 산화층인 이산화규소(SiO2)층이나 잔류 규소(Si)를 제거하여 표면 에너지를 상승시켜주는 역할을 한다.
탄화규소 방탄 세라믹의 화학 조성 성분에서 탄화붕소(B4C)는 첨가량이 0.3 중량% 미만인 경우에는 충분한 치밀도가 이루어지지 않아 첨가한 효과를 기대하기 어렵고, 3 중량%를 초과하면 소결 초기에 탄화규소 입자가 성장하여 오히려 소결밀도를 떨어뜨리기 때문에 0.3 중량% 내지 3.0 중량% 범위 내로 첨가하는 것이 바람직하다.
탄화규소 방탄 세라믹의 화학 조성 성분에서 탄소(C)의 첨가량이 0.5 중량% 미만이면, 소결체의 표면에서 산화층인 이산화규소(SiO2)층이 충분히 제거되지 않고, 3 중량%를 초과하면 소결체에 탄소가 잔류하여 방탄 특성이 떨어지기 때문에 0.5 중량% 내지 3.0 중량% 함량 범위 내로 첨가하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 탄소는 동일한 양의 탄소 성분을 함유한 유기화합물로 대체 가능하다.
탄화규소 방탄 세라믹의 화학 조성 성분에서 붕소화지르코늄(ZrB2)은 탄화규소 방탄 세라믹의 소결 과정에서 소결소제로 작용하여, 탄화규소의 소결온도를 낮추고, 탄화규소 방탄 세라믹의 결정 구조를 고온 안정상으로 상변화시켜 입성장을 제어한다.
구체적으로 설명하면, 탄화규소는 고용체로 육방정계(hexagonal)의 섬아연광구조를 갖는 α상과 입방정(cubic) 결정 구조를 갖는 β상으로 2종류의 상으로 존재하는데, 이중 2H상은 1400℃, 4H상은 1800℃, 6H와 15R은 2000℃ 내지 2600℃에서 안정한 것으로 보고되어 있다. 본 발명에서처럼 붕소화지르코늄(ZrB2)을 탄화규소 방탄 세라믹에 첨가할 경우 소결 과정에서 출발 원료로 사용된 6H a상의 탄화규소가 4H상으로의 상변화가 억제되는 효과가 있어, 결과적으로 보다 고온 안정상이 존재할 확률이 높아 방탄성능이 향상될 수 있다.
이와 같은 붕소화지르코늄(ZrB2)은 입도의 크기가 0.1㎛ 내지 50㎛인 것을 사용하는 것이 바람직하다.
만약 붕소화지르코늄의 입도가 0.1㎛ 미만인 경우에는 원료의 가격이 비싸 경제성이 떨어지는 문제점이 있고, 반대로 50㎛를 초과하는 경우에는 소결 과정에서 소결성이 저하되는 문제점이 있다.
탄화규소 방탄 세라믹의 화학 조성 성분으로 붕소화지르코늄은 0.2 중량% 내지 3.0 중량% 함량 범위로 첨가하는 것이 바람직하다. 예를 들어 붕소화지르코늄이 0.2 중량% 미만의 경우에는 미량으로 첨가 효과가 실질적으로 기대하기 어려워 소결체의 물성향상에 미치는 영향이 적고, 3.0 중량%를 초과하는 경우에는 오히려 소결성이 저하되며 탄화규소-붕소화지르코늄 복합체 상이 출현하게 되는 문제점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 탄화규소 방탄 세라믹 제조방법의 간략한 순서도이다.
도 1에서처럼 본 발명의 탄화규소 방탄 세라믹 제조방법은, 원료 조성물을 혼합하여 혼합물을 제조하는 원료 혼합 단계(S110), 상기 혼합물을 분말화하여 혼합물 분말을 제조하는 분말 제조 단계(S120), 상기 혼합물 분말을 가열하여 1차 소결체를 제조하는 1차 소결 단계(S130), 상기 1차 소결체를 열간 가압 소결하여 탄화규소 방탄 세라믹을 제조하는 2차 소결 단계(S140)를 포함하여 수행된다.
탄화규소 방탄 세라믹 제조방법에서 원료 혼합 단계(S110)는, 앞서 살펴본 바와 같이 탄화규소(SiC) 91.0 중량% 내지 99.0 중량%, 탄화붕소(B4C) 0.3 중량% 내지 3.0 중량%, 탄소(C) 0.5 중량% 내지 3.0 중량%, 및 붕소화지르코늄(ZrB2) 0.2 중량% 내지 3.0 중량%를 포함하는 탄화규소 방탄 세라믹의 원료 조성물을 혼합하여 혼합물을 제조한다.
상기 원료 혼합 단계(S110)에서 탄화규소 방탄 세라믹의 원료 조성물은 건식 혼합 방식 또는 습식 혼합 방식으로 혼합될 수 있다. 예를 들면 볼 밀(ball mill), 어트리션 밀(attrition mill) 등을 이용하여 혼합될 수 있으며, 바람직하게는 습식 혼합한다. 본 발명에서 원료 혼합방식을 특별히 한정하지 않으며, 당 기술 분야에 공지된 바에 따른 건식 혼합 방식 또는 습식 혼합 방식이 사용될 수 있다.
탄화규소 방탄 세라믹 제조방법에서 분말 제조 단계(S120)는 상기 원료 혼합 단계(S110)를 통해 제조된 혼합물을 건조하여 평균 입도 크기가 100㎛ 내지 120㎛ 정도인 과립형태의 혼합물 분말을 얻어지도록 한다.
상기 분말 제조 단계(S120)에서 얻어진 혼합물 분말은 열간 가압 소결처리를 통해 최종 소결체인 탄화규소 방탄 세라믹을 제조하며, 본 발명에서 소결처리는 1차 소결 단계(S130)와 2차 소결 단계(S140)로 2단계로 구분한다.
탄화규소 방탄 세라믹 제조방법에서 1차 소결 단계(S130)는 혼합물 분말을 몰드에 넣고 진공 혹은 불활성 가스분위기에서 1000℃ 내지 1500℃ 온도로 가열한다. 이와 같이 1차 소결 과정은 탈지과정으로 탄소가 탄화규소와 반응하여 탄화규소 분말 표면에 존재할 수 있는 이산화규소(SiO2)층이나 잔류 규소(Si)를 제거해 줌에 의해 탄화규소 분말표면의 표면에너지를 상승시키도록 수행한다.
그 다음 2차 소결 단계(S140)는 붕소가 탄화규소와 반응하여 탄화규소의 소결 구동력을 증가시켜 결정립의 상변화를 억제함으로써 균질하고 미세한 조직을 갖는 탄화규소 방탄 세라믹을 제조하는 과정이다.
2차 소결 단계는 진공 혹은 불활성 가스분위기에서 2000℃ 내지 2210℃의 온도와 100kg/㎠ 내지 450kg/㎠ 압력을 유지하면서 1시간 내지 4시간 동안 열간 가압 소결한다.
상기 2차 소결 단계에서 소결 온도가 2000℃ 미만이면 소결 구동력이 낮아 소결이 어렵고, 반대로 2210℃를 초과하는 경우 과소결로 결정립 조대성장이 일어나는 문제점을 야기하므로 2차 소결 단계는 상기 제시된 소결 온도, 압력 및 시간으로 수행되는 것이 바람직하다.
이하, 실시예 및 비교예를 통해 상술한 탄화규소 방탄 세라믹의 특징 및 효과를 상세히 설명하기로 한다.
다음 표 1에 기재된 조성물의 함량으로 실시예 1 및 비교예 1의 탄화규소 방탄 세라믹을 제조하였다.
구분 SiC B4C C ZrB2
실시예 1 96.1 중량% 0.9 중량% 2 중량% 1 중량%
비교예 2 97.1 중량% 0.9 중량% 2 중량% 0 중량%
구체적으로 평균입경이 5㎛ 이하인 미립 분말로 이루어진 탄화규소 분말과 붕소, 탄소, 유기 바인더, 붕소화지르코늄을 균질하게 혼합하기 위하여 습식 볼밀(Ball Mill)을 이용하여 혼합한 후, 상기 혼합과정을 통하여 얻어진 원료 슬러리를 분무 건조 처리하여 평균입경 100㎛ 내지 120㎛의 혼합물 분말을 얻었다. 이때, 분말을 균질하게 혼합하기 위하여 본 발명에서는 습식으로 혼합하여 분무 건조 방식으로 분말을 획득 하였으나, 건식 혼합으로도 유사한 결과를 도출 할 수 있다.
준비된 분말을 흑연 몰드에 장입하여 도 2에 나타낸 탄화규소 방탄 세라믹 제조방법에서 열간 가압 소결 단계의 압력 및 온도 조건으로 가압 소결을 진행하여 탄화구소 방탄 세라믹 시편을 제조하였다.
구체적으로 소결 과정은 1차 소결 단계 과정으로 진공상태에서 1000℃까지 10℃/분 속도로 가열하여 30분간 유지하고, 1500℃까지 5℃/분 속도로 가열하여 30분간 유지한 다음, 2차 소결 단계 과정으로 1800℃까지 3℃/분 속도로 가열하여 30분간 유지하고, 설정된 2차 소결 온도까지 1℃/분 속도로 가열하여 120분간 유지 후 노내 냉각(furnace cooling)하였다. 압력은 1730℃ 내지 1870℃ 구간에서 일정하게 가압하여 200kgf/㎠ 가 되도록 한 후 노내 냉각 과정 전까지 유지하였다.
하기 표 2는 2차 소결 단계에서 소결 온도에 따른 밀도 변화를 나타내었다. 표 2에 보는 바와 같이, 실시예 1에서처럼 본 발명에 따라 붕소화지르코늄이 첨가되면 붕소화지르코늄이 소결조제로 작용하여 소결 온도를 낮추는 것으로 확인되었다. 따라서 동일한 소결온도를 기준으로 실시예 1과 비교예 1을 비교하였을 때, 붕소화지르코늄이 첨가된 실시예 1에서 소결밀도가 비교예 1 대비 증가된 것을 알 수 있다.
소결 온도 실시예 2000℃ 2040℃ 2060℃
소결 밀도 실시예 1 3.17 g/㎤ 3.18 g/㎤ 3.19 g/㎤
비교예 1 3.15 g/㎤ 3.16 g/㎤ 3.16 g/㎤
도 3의 (a)는 비교예 1에 따라 제조된 탄화규소 방탄 세라믹의 X선 회절(x-ray diffraction, XRD) 패턴 분석 결과이고, 도 3의 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 탄화규소 방탄 세라믹의 X선 회절(x-ray diffraction, XRD) 패턴 분석 결과이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따라 붕소화지르코늄이 첨가되면 XRD 분석 결과 4H의 결정상이 줄어든 것을 알 수가 있다. 따라서 붕소화지르코늄의 첨가에 의해 4H상으로의 상전이가 억제되어 방탄 성능 향상에 기여하는 것임을 알 수 있다.
도 4는 본 발명에 따라 제조된 탄화규소 방탄 세라믹을 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)으로 관찰한 사진으로, 도 4의 (a)는 비교예 1의 탄화규소 방탄 세라믹이고, 도 4의 (b)는 실시예 1의 탄화규소 방탄 세라믹이다.
도 4에서 도시된 바와 같이, 도 4의 (a)에서처럼 붕소화지르코늄이 미첨가된 비교예 1은 탄화규소의 결정립이 주상형상으로 나타났으나, 도 4의 (b)에서처럼 붕소화지르코늄이 첨가된 실시예 1의 경우에는 주상형상이 현저히 줄어드는 것을 확인할 수 있었다. 이는 붕소화지르코늄이 탄화규소 결정립 성장을 억제시키고, 이로 인해 소결 평균 입경을 현저히 감소시켜 균일한 미세조직이 형성됨을 알 수 있다.
본 발명의 탄화규소 방탄 세라믹의 방탄 성능을 확인하기 위해 상기 실시예 1 및 비교예 1에 따른 탄화규소 방탄 세라믹 시편의 후면에 금속재로 연강 판을 부가한 다음 총격을 가한 후, 연강 판의 잔류 관통깊이를 측정하여 하기 수학식 1에서처럼 단위 세라믹 무게로써 대치 가능한 기준 연강 판의 무게를 의미하는 연강 판에 대한 상대적 방탄무게효율(ε)을 계산하였다. 계산된 비교예 1의 방탄무게효율을 기준으로 실시예 1의 방탄무게효율을 비교하였으며, 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.
Figure 112019028615174-pat00001
상기 수학식 1에서,
Figure 112019028615174-pat00002
는 연강 판의 밀도이고,
Figure 112019028615174-pat00003
는 탄화규소 방탄 세라믹 시편의 밀도이고, t는 탄화규소 방탄 세라믹 시편의 두께이고, Po는 연강 판의 관통 깊이이며, P는 탄화규소 방탄 세라믹 시편이 적용된 연강 판의 잔류 관통 깊이를 의미한다.
구분 두께(mm) 면밀도(g/㎠) 상대 방탄무게효율
실시예 1 35.5 11 1.24(5발 평균치)
비교예 1 35.5 11 1.00(3발 평균치)
상기 표 3에 나타낸 바와 같이, 붕소화지르코늄이 첨가된 탄화규소 방탄 세라믹인 실시예 1의 경우, 붕소화지르코늄이 첨가되지 않은 비교예 1에 비해 24%의 방탄무게효율이 증가하였음을 알 수 있었다. 이는 앞서 도 4에서 살펴본 바와 같이 붕소화지르코늄 첨가가 탄화규소 방탄 세라믹의 조직을 균질하고 미세하게하고 밀도를 높여 방탄 성능이 향상된 것임을 확인할 수 있다.
하기 표 4는 붕소화지르코늄을 대신하여 질화알루미늄(aluminum nitride, AlN)과 산화알루미늄(Al2O3)를 각각 첨가하여 제조된 비교예 2와 비교예 3의 탄화규소 방탄 세라믹의 방탄시험 결과를 나타내었다.
구분 조성 면밀도(g/㎠) 상대 방탄무게효율
비교예 2 98중량% SiC + 2중량% AlN 11 0.96(3발 평균치)
비교예 3 98중량% SiC + 2중량% Al2O3 11 0.90(3발 평균치)
표 4에서 보는 바와 같이, 질화알루미늄과 산화알루미늄을 사용할 경우 상기 실시예 1의 탄화규소 방탄 세라믹보다 면밀도가 현저히 낮고, 이로 인해 방탄무게효율도 낮은 것을 확인할 수 있었다.
이상 설명된 실시예는 단지 예시일 뿐이며, 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (11)

  1. 탄화규소는 91.0 중량% 내지 96.1 중량%;
    탄화붕소는 0.9 중량% 내지 3.0 중량%;
    탄소는 2 중량% 내지 3.0 중량%; 및
    붕소화지르코늄은 1 중량% 내지 3.0 중량%;로 포함하는 혼합물을 분말화한 혼합물 분말이 열간 가압 소결되어 형성된 것을 특징으로 하는 탄화규소 방탄 세라믹.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 붕소화지르코늄은 입도가 0.1㎛ 내지 50㎛인 것을 특징으로 하는 탄화규소 방탄 세라믹.
  4. 탄화규소, 탄화붕소, 탄소 및 붕소화지르코늄을 포함하는 원료 조성물을 혼합하여 혼합물을 제조하는 원료 혼합 단계;
    상기 혼합물을 분말화하여 혼합물 분말을 제조하는 분말 제조 단계; 및
    상기 혼합물 분말을 열간 가압 소결하여 탄화규소 방탄 세라믹을 제조하는 소결 단계;를 포함하며,
    상기 원료 조성물에서,
    상기 탄화규소는 91.0 중량% 내지 96.1 중량%;
    상기 탄화붕소는 0.9 중량% 내지 3.0 중량%;
    상기 탄소는 2 중량% 내지 3.0 중량%; 및
    상기 붕소화지르코늄은 1 중량% 내지 3.0 중량%;로 포함하는 것을 특징으로 하는 탄화규소 방탄 세라믹 제조방법.
  5. 삭제
  6. 제4항에 있어서,
    상기 붕소화지르코늄은 입도가 0.1㎛ 내지 50㎛인 것을 특징으로 하는 탄화규소 방탄 세라믹 제조방법.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 소결 단계는,
    상기 혼합물 분말을 가열하여 1차 소결체를 제조하는 1차 소결 단계; 및
    상기 1차 소결체를 열간 가압 소결하여 탄화규소 방탄 세라믹을 제조하는 2차 소결 단계;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄화규소 방탄 세라믹 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 1차 소결 단계는,
    상기 혼합물 분말을 몰드에 넣고 진공 혹은 불활성 가스분위기에서 1000℃ 내지 1500℃ 온도로 가열하는 것을 특징으로 하는 탄화규소 방탄 세라믹 제조방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 2차 소결 단계는,
    상기 1차 소결체를 진공 혹은 불활성 가스분위기에서 2000℃ 내지 2210℃의 온도와 100kg/㎠ 내지 450kg/㎠ 압력으로 유지하면서 열간 가압 소결하는 것을 특징으로 하는 탄화규소 방탄 세라믹 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 2차 소결 단계는,
    상기 1차 소결체를 1 내지 4시간 동안 열간 가압 소결하는 것을 특징으로 하는 탄화규소 방탄 세라믹 제조방법.
  11. 제4항에 있어서,
    상기 탄화규소 방탄 세라믹의 밀도는 3.18g/㎤ 내지 3.21g/㎤인 것을 특징으로 하는 탄화규소 방탄 세라믹 제조방법.
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